Professori Matti Mäntysalo kehittää tulostettavaa ja energiatehokasta elektroniikkaa
Mäntysalon tutkimuksen ytimessä ovat painettava elektroniikka, uudet materiaalit ja energiatehokkaat valmistusmenetelmät. Mäntysalolle kyse ei ole vain yksittäisistä teknisistä innovaatioista, vaan koko elektroniikkateollisuuden ajattelutavan muutoksesta.
– Me teemme elektroniikkaa, mutta kysymme koko ajan: voisiko sitä tehdä vähemmillä luonnonvaroilla, energiatehokkaammin ja ilman ympäristölle haitallisia materiaaleja? hän tiivistää.
Tampereen yliopistossa tehtävä kestävä elektroniikkatutkimus etenee tiiviissä yhteistyössä yritysten kanssa, jotta uudet ratkaisut voidaan myös oikeasti valmistaa, skaalata ja viedä yhteiskunnan käyttöön. Mäntysalolle juuri teollisuus on silta tutkimuksesta vaikuttavuuteen.
Kaikki alkaa valmistustavasta
Perinteinen elektroniikka valmistetaan korkeissa lämpötiloissa ja kemiallisesti raskailla menetelmillä. Mäntysalon ryhmä kulkee toiseen suuntaan: painettava, lisäävä valmistus, jossa materiaalia lisätään vain sinne missä sitä tarvitaan.
Painettavassa elektroniikassa valmistusmenetelminä käytetään tuttuja painotekniikoita, kuten silkkipainoa, mustesuihkutulostusta ja rullalta rullalle -tuotantoa. Kun kerroksia painetaan peräkkäin, voidaan rakentaa toimivia elektronisia rakenteita: johtimia, antureita, kondensaattoreita ja jopa transistoreita – ilman perinteistä metallien syövytystä.
– Me lisäämme materiaalia vain tarvittaviin kohtiin. Silloin vältetään iso osa kemikaaleista ja säästetään valtavasti energiaa.
Kyseessä on niin sanottu additiivinen valmistusmenetelmä: materiaalia lisätään vain siihen, missä sitä tarvitaan. Tämä vähentää merkittävästi materiaalihukkaa ja kemikaalien käyttöä esimerkiksi verrattuna perinteiseen piirilevyjen valmistukseen.
Valmistuslämpötilojen laskeminen on hänen mukaansa yksi kestävyyden avaintekijöistä.
– Kun lämpötila laskee, valmistus kuluttaa vähemmän energiaa. Kun energiaa kuluu vähemmän, myös CO₂-päästöt pienenevät. Tämä ketju on hyvin suora.
Samalla matalammat lämpötilat mahdollistavat täysin uusien materiaalien käytön.
– Matalissa lämpötiloissa pystymme tuomaan mukaan biopohjaisia tai jopa biohajoavia materiaaleja, jotka eivät yksinkertaisesti kestäisi perinteisen elektroniikkavalmistuksen prosesseja.
Kuva: Harri HinkkaElektroniikkaa ilman kriittisiä raaka-aineita?
Monien tämän päivän laitteiden pullonkaulana ovat kriittiset raaka-aineet, joiden saatavuus on kytkeytynyt geopoliittiseen tilanteeseen.
– Jos puhutaan akuista ja paristoista, siellä käytetään paljon kriittisiä ja ympäristölle haitallisia materiaaleja. Me tutkimme vaihtoehtoja, kuten superkondensaattoreita, jotka voidaan tehdä ilman kriittisiä raaka-aineita.
Tutkimus menee jopa arkisiin materiaaleihin saakka.
– Peruskennosta meillä on hiiltä, vettä, suolaa, paperia, vähän muovia ja alumiinia. Käytännössä samoja materiaaleja kuin vaikka mehupakkauksissa. Elektroniikka voisi periaatteessa toimia samanlaisista aineista kuin lasten pillimehupakkaus.
Mäntysalo korostaa, ettei kyse ole koko elektroniikkamaailman korvaamisesta.
– Kaikkialla ei tarvita parasta mahdollista suorituskykyä. Monissa sovelluksissa huomattavasti matalammat vaatimukset riittävät. Näitä ratkaisuja ei pidä ajatella korvaavana vaan täydentävänä!
Tämä ei tule korvaamaan suorituskykyisiä mikrosiruja. Tämä on täydentävää teknologiaa: oikea ratkaisu oikeaan paikkaan.
Matti Mäntysalo
Kun elektroniikka hajoaa luontoon
Ehkä radikaalein osa tutkimusta liittyy biohajoavaan elektroniikkaan. Ajatus voi kuulostaa ristiriitaiselta: miksi tehdä elektroniikkaa, joka hajoaa?
– Meillä tulee olemaan miljardeja, jopa triljoonia sensoreita maailmassa. Osa niistä on väkisinkin kertakäyttöisiä. Esimerkiksi ihmisen terveyden mittaamiseen käytettäviä sensoreita ei voida käyttää uudelleen.
Silloin pelkkä kierrätys ei riitä.
– Voisiko osa elektroniikasta olla sellaista, että se hajoaisi turvallisesti luontoon tai menisi suoraan paperi- tai muovikierrätykseen? Materiaalit palaisivat osaksi luonnon omaa kiertoa?
Yksi sovellusalue on digitaalinen maatalous ja ympäristön seuranta. VTT:n kanssa yhteisessä SOIL–hankkeessa (Sustainable Organics and metal oxide ICT via biodegradable, high-performance flexible Low-voltage electronics, 2023 – 2025) Mäntysalo työryhmineen on tutkinut biohajoavien elektronisien komponenttien kehittämistä. Langattomaan tiedonsiirtoon kykenevissä antureissa tarvittavia korkeataajuisia komponentteja ja elektronisia piirejä kehitetään maaperässä tyypillisesti olevista materiaaleista hyödyntäen additiivisia valmistusmenetelmiä. Lisäksi kehitetään energiaa säästäviä valmistusprosesseja käyttämällä matalan lämpötilan kalvopinnoitusmenetelmiä.
– Maaperään voisi sijoittaa sensoreita, jotka mittaavat olosuhteita ja sitten yksinkertaisesti hajoavat sinne ilman että ne muuttavat maan koostumusta?
Terveydenhuolto, joka tulee kotiin
Kestävä elektroniikka ei tarkoita vain ympäristön suojelua, vaan myös yhteiskunnallista kestävyyttä. Erityisesti terveydenhuolto on alue, jossa halvalla ja helposti valmistettava elektroniikka voisi muuttaa paljon.
– Jos pystymme tekemään halpoja kotidiagnostiikkalaitteita, voidaan hoidosta tehdä parempaa ja tehokkaampaa sekä samalla säästää valtavasti yhteiskunnan varoja.
Esimerkiksi erilaiset puettavat anturit tulevat mahdollistamaan etäseurantaa myös kotona, jolloin erilaisia testejä voitaisiin tehdä kotona ennen toimenpiteitä sairaalassa ja toisaalta seurata vointia kotiuttamisen jälkeen, mikä säästäisi terveydenhuollon voimavaroja. Anturit voivat mitata esimerkiksi hengitystaajuutta, happikyllästeisyyttä, syketaajuutta, lämpötilaa ja sydämen toimintaa. Mittaustulokset lähetetään järjestelmään, joka analysoi niitä ja tuottaa seurantatietoa sekä tarvittaessa antaa hälytyksiä.
Tämä avaisi uusia mahdollisuuksia myös harvaan asutuille alueille – Suomessa ja globaalisti.
– Palveluita voisi todella viedä myös niille alueille, jonne sairaalat eivät helposti yllä.
Suomi on painettavan elektroniikan suurvalta
Vaikka ala on globaali, Suomen asema on poikkeuksellisen vahva.
– Suomi on julkaisumäärissä maailman seitsemänneksi suurin maa painettavassa elektroniikassa. Väestöön suhteutettuna olemme aivan kärkeä.
Taustalla on Mäntysalon mukaansa pitkä teollinen jatkumo: metsäteollisuus, pinnoitusosaaminen, elektroniikka ja Nokian perintö.
Keskeinen kumppani tutkimuksessa on VTT, jonka kanssa on useita yhteisiä kehitys- ja tutkimushankkeita. Esimerkiksi EU-rahoitteinen Sustronics, jossa Suomesta mukana VTT:n, Tampereen yliopiston ja yritysten Canatu, Movesense, Screentec, Tervakoski, UpCode ja UPM Raflatac muodostama konsortio, hankkeen maakoordinaattorina toimii VTT. Suomalaiset kumppanit saavat osan rahoituksestaan Business Finlandilta. Koko konsortiohankkeessa on mukana 46 partneria 11 maasta.
– Sustronicsin tavoitteena on rakentaa elektroniikkateollisuudelle ekosysteemiä vastuullisuushaasteiden ratkaisemiseksi. Pilottiprojektit tähtäävät nykyisten elektroniikkatuotteiden uudelleen suunnitteluun tai uusien luomiseen.
Yritysyhteistyö on keskeinen osa Mäntysalon ryhmän toimintaa.
– Teollisuuden kanssa toimiminen on meille se reitti yhteiskunnalliseen vaikuttavuuteen. Ilman sitä tutkimus jää helposti laboratorioon.
Yritykset tuovat myös realismia.
– Ne kertovat toisenlaisesta tarpeesta, mitä voi oikeasti valmistaa, mitä voi skaalata ja mitä ei.
Mäntysalo korostaa myös yliopiston sisällä tehtävän yhteistyön merkittävää roolia tutkimukselle.
– Tampereen yliopiston monialaisuus on erinomainen pohja tehdä alan tutkimusta, yhteistyötä tehdään yli tieteenala- ja tiedekuntarajojen.
Opiskelijoille selkeä viesti: laaja pohja kantaa mikroelektroniikassa
Mäntysalon viesti opiskelijoille on konkreettinen. Hänen mukaansa tärkeintä ei ole kapea erikoistuminen liian aikaisin.
– Perusfysiikka, kemia ja matematiikka antavat työkalut ymmärtää maailmaa. Elektroniikka on soveltamista.
Kuva: Karu FilmsMäntysalo on mukana kehittämässä mikroelektroniikan tohtorikoulutusta. Koko euroopan tasolla on pyritään lisäämään elektroniikan tason tohtoreita. Euroopan unionin Horisontti Eurooppa -tutkimus- ja innovointiohjelmasta rahoituksen saava
FERNS-tohtoriverkosto keskittyy kestävään elektroniikkaan ja kiertotalousperiaatteisiin.
– Tarvitsemme Suomeen ja yleensäkin Eurooppaan lisää mikroelektroniikan tohtoritason asiantuntijoita, toteaa Mäntysalo
– FERNS on merkittävä eurooppalainen tohtorikoulutusverkosto. Sen idea on yksinkertainen: kouluttaa uusi sukupolvi elektroniikkaosaajia, jotka osaavat ajatella kiertotalouden, biopohjaisten materiaalien ja matalaenergisten prosessien kautta.
Verkosto kouluttaa asiantuntijoita matalaenergiaisten ja ympäristöystävällisten komponenttien ja järjestelmien kehittämiseen. Tampereelle on tulossa verkoston kautta kaksi väitöskirjatutkijaa, toinen Mäntysalon ja toinen apulaisprofessori Ulla Saaren ohjattavaksi. Saari on johtamisen ja talouden tiedekunnasta, hänen tutkimusalaansa on ympäristöystävällisen ja kestävän teknologian ja innovaatioiden kehittäminen ja hallinta.
– Tampereen yliopiston on mukana myös Suomessa opetus- ja kulttuuriministeriön rahoittamassa MIELi-tohtoripilotissa. Pilotin tavoitteena on nopeuttaa ja kehittää mikroelektroniikan tohtorikoulutusta tiiviissä yhteistyössä teollisuuden kanssa. Pilotissa tohtorikoulutettavat työskentelevät käytännönläheisten, teollisesti merkittävien tutkimusaiheiden parissa, tavoitteena on valmistua kolmessa vuodessa, ja siirtyä suoraan yrityksiin. Hankkeessa ovat mukana Tampereen lisäksi Aalto-yliopisto, Oulun yliopisto sekä VTT.
Tulevaisuuden elektroniikka
Matti Mäntysalon tutkimusfokus siirtyy sitä mukaa kun asiat kehittyvät. Kun tutkimuksella on saatu aikaan tuloksia, jotka siirtyvät yrityksiin ja tuotantoon, myös niin yliopistossa tutkimuksen ja tutkijan on aika siirtyä eteenpäin.
– Japanissa näimme 2000-luvun alussa, että eräät ideat kypsyvät kymmenessä vuodessa. Nyt kaikki tekevät sitä, mitä silloin yritimme. Joten olen itse jo siirtynyt eteenpäin.
Hän kiteyttää oman motivaationsa näin:
– Yliopisto on minulle paikka, jossa on vapautta tehdä. Hiekkalaatikko ei koskaan pienene. Saa hypätä ideasta toiseen ja rakentaa sellaista maailmaa, jota ei vielä ole.
Matti Mäntysalo
professori, elektoriikka
Tutkimuksen ydin
Elektroniikan uudet materiaalit ja valmistustekniikat
Lisäävät valmistusteknologiat ja heterogeeninen integrointi
Joustava, mukautuva ja venyvä elektroniikka
Omaenerginen elektroniikka
Ohutkalvokomponentit ja -prosessit
Keskeiset tutkimusympäristöt
Tärkeimmät yhteistyökumppanit
VTT
Useat suomalaiset ja eurooppalaiset teknologiayritykset
Esimerkkejä tutkimushankkeista
ARMS (Horizon Europe) – Atomic layer-coated graphene electrodes for micro-flexible and structural supercapacitors, 2023-2027. (ARMS-hankkeen sivu, Tampereen yliopisto)
SUSTRONICS Sustainable and green electronics for circular economy, 2023-2026
PHOTO-ELEC-profiloitumisala – varajohtaja
https://www.tuni.fi/fi/ajankohtaista/profilaatioalat-esittelyssa-photo-elec-yhdistaa-fotoniikan-ja-mikroelektroniikan
Matti Mäntysalo johtaa Elektroniikan tutkimuskeskusta (ERC), jossa kehitetään tulevaisuuden elektroniikkaa modernin yhteiskunnan tarpeisiin. https://research.tuni.fi/erc/
